新合金增加一倍電池容量冷凍電子顯微鏡揭露鋰枝晶之謎

2017-11-06 16:47:41 高工鋰電技術與應用　點擊量：評論 (0)

近日，鋰電材料和設備企業(yè)璞泰來正式登陸上交所，再一次證明了鋰電行業(yè)的熱度。讓人不由的感概，不愧是有42人進入胡潤富豪榜的行業(yè)。與之相交輝映的是，擬啟動IPO的寧德時代估值達840億元;松下宣布投資1000億日元

近日，鋰電材料和設備企業(yè)璞泰來正式登陸上交所，再一次證明了鋰電行業(yè)的熱度。讓人不由的感概，不愧是有42人進入胡潤富豪榜的行業(yè)。

與之相交輝映的是，擬啟動IPO的寧德時代估值達840億元;松下宣布投資1000億日元增產(chǎn)鋰電池業(yè)務。一個是中國老大，一個是世界巨頭，隱隱有一種拉開新能源競爭全球化序幕的味道。

事實上，新能源競爭全球化的趨勢早就體現(xiàn)出來了，可以看到的就是各大新能源強國宣布禁售燃油車的時間節(jié)點，以及國內(nèi)主流車企相繼宣布非常詳細的新能源戰(zhàn)略規(guī)劃。全球都將重點放在了新能源，2020年后，失去補貼保護的中國鋰電，勢必要同世界主流企業(yè)展開“廝殺”。

慶幸的是國內(nèi)已經(jīng)做出了應對，從2016的一系列政策調(diào)整中就能明顯的感受到，國家的政策已經(jīng)從普惠型向扶優(yōu)扶強型轉變，目的就是塑造出一批做大做強的企業(yè)來同國外巨頭們競爭。而政策趨勢下的市場表現(xiàn)就是排名前十的電池企業(yè)占據(jù)著80%的市場份額。

新能源行業(yè)競爭升級已是板上釘釘?shù)氖聦崳P者相信，在這樣的激烈碰撞下，電池技術也將得到巨大的進步，畢竟科學才是第一生產(chǎn)力，技術才是企業(yè)最核心的競爭力。筆者認為，目前最可期的就是固態(tài)電池的商業(yè)化，這也將成為各大車企逐鹿市場的殺手锏。

下面就來看看本周鋰電行業(yè)都有哪些大事件和新技術吧。

1冷凍電子顯微鏡揭露鋰枝晶之謎

鋰電池最大的安全問題就是電極表面鋰沉積會形成“枝晶”(dendrites)，而且它會繼續(xù)生長，從而造成電池內(nèi)部短路引起電池故障或可能引發(fā)火災。但關于鋰枝晶的原子結構卻一直不甚了解。

而近日斬獲2017年諾貝爾化學獎的冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)技術，能夠在低溫下使用透射電子顯微鏡觀察樣品。利用該技術，研究人員捕捉到了首張原子級鋰金屬枝晶的圖像，發(fā)現(xiàn)每個鋰金屬枝晶是一個長條狀，且成型完美的六面晶體。而此前通過電子顯微鏡鏡觀察到的只是不規(guī)則形狀的晶體。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，在碳酸鹽基電解質(zhì)中的枝晶沿著一種特定方向生長為單晶納米線。其中一些會在“生長”過程中出現(xiàn)打結的情況，但它們的晶體結構仍然完整的。

另一位參與此項研究的斯坦福大學博士生yuzhang li稱，還能看到固體電解質(zhì)界面膜(SEI)，同時還揭示了在不同電解質(zhì)中形成的不同的SEI納米結構。因為當電池充電和放電時，同樣的涂層也會在金屬電極上形成，所以控制它的產(chǎn)生和穩(wěn)定對于電池的高效利用至關重要。

點評：不愧是獲得諾貝爾獎的新技術，從原子的角度更清晰的解剖了鋰電池的原理。事實上，現(xiàn)代醫(yī)學就是基于顯微鏡的巨大進步，而很多宏觀現(xiàn)象都能通過微觀視角來解釋，包括鋰電池。通過該技術的描述，筆者仿佛看到了鋰硫電池大規(guī)模應用的可能性，要知道，從能量密度的角度，鋰硫電池遠超目前的三元體系，包括即將產(chǎn)業(yè)化的固態(tài)電池，但就是鋰枝晶死死的扼住著鋰硫電池的咽喉。

2新合金可增加一倍鋰電池容量

Kreder和他的團隊通過簡化的制造方法省去了繁瑣的涂覆工藝。當錫被鑄造成塊時，錫能夠直接加入到鋁中，從而形成合金，然后可以機械地軋制(相對便宜和普通的冶金合金化工藝)成納米結構的金屬箔。最后一步，材料中的顆粒減少，這是至關重要的。

Kreder解釋說：“錫可以與鋰形成合金。不幸的是，如果使用錫箔或者甚至使用微米大小的錫顆粒，錫在與鋰形成合金時由于體積膨脹而循環(huán)時會斷裂，這意味著如果用大的錫顆粒制造電池，僅能維持數(shù)十次的充放電循環(huán)，但如果制造納米級的錫顆粒，合金化過程中顆粒不會分裂。”

研究人員將所得到的材料稱為交叉共晶合金(IdEA)陽極，他們認為其厚度僅是傳統(tǒng)陽極材料的四分之一，而重量僅有傳統(tǒng)材料的一半。他們在小型鋰離子電池中對這種陽極材料進行測試，然后對其進行充電和放電以測量性能。他們發(fā)現(xiàn)，這種陽極的電量儲存能力是傳統(tǒng)銅-石墨陽極的兩倍。

點評：合金的使用一直都是人類歷史上最偉大的創(chuàng)造之一，但是化雜種為雜交，并不是一件容易的事情，尤其是動力電池這種十分講究綜合性能的產(chǎn)品，其成本、工藝、效率、循環(huán)等等都是需要考慮的，而容量只是其中之一，單純強調(diào)某一性能的研究報告，在筆者看來，都是耍流氓。

3“電池醫(yī)生”為動力電池快速診斷

在上海工程技術大學汽車工程學院，嚴曉教授帶領動力電池實驗室團隊黃賽杰等，成功研制出這樣一個“電池醫(yī)生”，給“上了年紀”的新能源汽車快速準確診斷。

嚴曉說表示，新能源車的電池包由一節(jié)節(jié)小電池組成。將小電池視為一個單位，每一節(jié)都由BMS(電池管理系統(tǒng))監(jiān)管，它們及時報告自己“生病與否”。為了能聽懂電池的“訴求”，團隊根據(jù)廠家提供的BMS 通信協(xié)議編寫程序，最終將電池信息準確翻譯出來。進而，采集到電池的基礎信息——電壓、電流和溫度等。

盡管目前研發(fā)起步階段只能采集電池基礎信息，但這就像找到新世界大門的鑰匙——“只要使用正確的模型和算法，依靠它們就能得出更深一層的數(shù)據(jù)信息，”黃賽杰介紹，比如SOC(電池剩余電量)、SOH(電池健康狀態(tài)評估)等一系列參考指標，從而根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預測電池壽命、評估殘值。

點評：動力電池的殘值確實是每個車企都非常關注的東西，花那么多錢買回的電池，才用上20%就被迫退役，擱在誰身上都心疼。如果這項診斷技術能夠成熟的話，不僅對在役動力電池起到重大作用，對后續(xù)的梯次利用也極為有利，再與北理工監(jiān)控平臺結合的話，應該是一個比較理想的電動汽車生態(tài)。當然，這只是筆者的一廂情愿，畢竟這項技術才剛剛起步。